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KR101938454B1 - Ｍｅｍｓ 챔버 압력 제어를 위한 히터 설계 - Google Patents

Ｍｅｍｓ 챔버 압력 제어를 위한 히터 설계 Download PDF

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KR101938454B1
KR101938454B1 KR1020160129047A KR20160129047A KR101938454B1 KR 101938454 B1 KR101938454 B1 KR 101938454B1 KR 1020160129047 A KR1020160129047 A KR 1020160129047A KR 20160129047 A KR20160129047 A KR 20160129047A KR 101938454 B1 KR101938454 B1 KR 101938454B1
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지홍 치앙
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신유 첸
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Abstract

본 개시는 챔버 안으로의 아웃개싱을 유도함으로써 밀폐된 챔버 내의 압력을 조정하도록 구성된 발열체를 갖는 MEMS 패키지 및 관련 방법에 관한 것이다. 일부 실시예에서, MEMS 패키지는 반도체 바디 내에 배열된 하나 이상의 반도체 디바이스를 갖는 CMOS 기판을 갖는다. MEMS 구조물이 CMOS 기판에 접속되며, 마이크로 전자기계(MEMS) 디바이스를 갖는다. CMOS 기판과 MEMS 구조물은 MEMS 디바이스에 접하는 밀폐뙨 챔버를 형성한다. 발열체가 하나 이상의 디바이스에 전기적으로 결합되고, 밀폐된 챔버의 내부 표면을 따라 배열된 아웃개싱 층에 의해 밀폐된 챔버로부터 분리된다. 아웃개싱 층으로 하여금 가스를 방출하게 하도록 발열체를 동작시킴으로써, 밀폐된 챔버의 압력이 형성된 후에 조정될 수 있다.

Description

ＭＥＭＳ 챔버 압력 제어를 위한 히터 설계{HEATER DESIGN FOR MEMS CHAMBER PRESSURE CONTROL}
지난 십년간 마이크로 전자기계 시스템(MEMS; micro-electromechanical system) 디바이스는 전자 디바이스(예컨대, 휴대 전화, 센서 등)에 있어서 점점 더 보편화되었다. MEMS 디바이스는 물리적 힘 또는 양(예컨대, 가속도, 방사선 등)을 감지하고/하거나 물리적 양(예컨대, 유체)을 제어할 수 있는 기계적 및 전기적 특징을 포함한다. MEMS의 예는, 기계적 신호를 전기적 신호로 변환하는 마이크로센서 및 전기적 신호를 기계적 신호로 변환하는 마이크로액추에이터를 포함한다.
본 개시는 챔버 안으로의 아웃개싱을 유도함으로써 밀폐된 챔버 내의 압력을 조정하도록 구성된 발열체를 갖는 MEMS 패키지 및 관련 방법에 관한 것이다. 일부 실시예에서, MEMS 패키지는 반도체 바디 내에 배열된 하나 이상의 반도체 디바이스를 갖는 CMOS 기판을 갖는다. MEMS 구조물이 CMOS 기판에 접속되며, 마이크로 전자기계(MEMS) 디바이스를 갖는다. CMOS 기판과 MEMS 구조물은 MEMS 디바이스에 접하는 밀폐뙨 챔버를 형성한다. 발열체가 하나 이상의 디바이스에 전기적으로 결합되고, 밀폐된 챔버의 내부 표면을 따라 배열된 아웃개싱 층에 의해 밀폐된 챔버로부터 분리된다. 아웃개싱 층으로 하여금 가스를 방출하게 하도록 발열체를 동작시킴으로써, 밀폐된 챔버의 압력이 형성된 후에 조정될 수 있다.
본 개시의 양상은 다음의 상세한 설명으로부터 첨부 도면과 함께 볼 때 가장 잘 이해된다. 산업계에서의 표준 실시에 따라 다양한 특징부들이 실축척대로 도시되지 않은 것을 유의하여야 한다. 사실상, 다양한 특징부들의 치수는 설명을 명확하게 하기 위해 임의로 증가되거나 감소되었을 수 있다.
도 1은 밀폐된 챔버(hermitically sealed chamber)의 압력을 조정하도록 구성된 발열체를 갖는 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 패키지의 블록도의 일부 실시예를 예시한다.
도 2 내지 도 4는 밀폐된 챔버의 압력을 조정하도록 구성된 발열체를 갖는 MEMS 패키지의 단면도의 일부 실시예를 예시한다.
도 5 내지 도 15는 밀폐된 챔버의 압력을 조정하도록 구성된 발열체를 갖는 MEMS 패키지를 형성하는 방법을 도시한 단면도의 일부 실시예를 예시한다.
도 16은 밀폐된 챔버의 압력을 조정하도록 구성된 발열체를 갖는 MEMS 패키지를 형성하는 방법의 일부 실시예의 흐름도를 예시한다.
다음의 개시는 제공되는 주제의 상이한 특징들을 구현하기 위한 많은 다양한 실시예 또는 예를 제공한다. 컴포넌트 및 구성의 구체적 예가 본 개시를 단순화하도록 아래에 기재된다. 이들은 물론 단지 예일 뿐이며 한정하고자 하는 것이 아니다. 예를 들어, 이어지는 다음 기재에 있어서 제2 특징부 상에 또는 위에 제1 특징부를 형성하는 것은, 제1 및 제2 특징부가 직접 접촉하여 형성되는 실시예를 포함할 수 있고, 제1 및 제2 특징부가 직접 접촉하지 않도록 제1 특징부와 제2 특징부 사이에 추가의 특징부가 형성될 수 있는 실시예도 또한 포함할 수 있다. 또한, 본 개시는 다양한 예에서 참조 번호 및/또는 문자를 반복할 수 있다. 이 반복은 단순하고 명확하게 하기 위한 목적인 것이며, 그 자체가 설명되는 다양한 실시예 및/또는 구성 간의 관계를 지시하는 것은 아니다.
또한, “밑에”, “아래에”, “하부”, “위에”, “상부” 등과 같은 공간적으로 상대적인 용어는, 도면에 예시된 바와 같이 하나의 구성요소 또는 특징부의 또다른 구성요소(들) 또는 특징부(들)에 대한 관계를 기재하고자 설명을 쉽게 하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시된 배향에 더하여 사용중이거나 동작중인 디바이스의 상이한 배향들을 망라하도록 의도된다. 장치는 달리 배향될 수 있고(90도 회전되거나 또는 다른 배향으로), 여기에서 사용된 공간적으로 상대적인 기술자는 마찬가지로 그에 따라 해석될 수 있다.
MEMS 디바이스는 종종 디바이스를 둘러싸는 환경에 따라 좌우되는 방식으로 동작한다. MEMS 디바이스의 동작을 개선하기 위해, 원하는 파라미터의 개선된 측정을 가능하게 하는 특정 압력을 갖는 주변 환경 내에서 MEMS 디바이스를 동작시키는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, MEMS 진동 자이로스코프의 경우에, 낮은 압력(즉, 높은 진공)을 갖는 주변 환경은 신호로 변환되는 변위(displacement)를 향상시키기에 보다 나은 측정을 제공한다. 반대로, MEMS 가속도계는 잡음으로 변환되는 배경 교란으로 인해 변위를 완화시키도록 높은 압력을 사용한다.
따라서, 성능을 최적화하기 위해, MEMS 디바이스는 통상적으로 제어된 압력 레벨로 유지되는 밀폐된 챔버(hermetically sealed chamber)에 접한다(abut). 웨이퍼 상에 한 유형의 MEMS 디바이스가 있을 경우, 원하는 압력으로 유지되는 밀폐된 챔버를 형성하도록 웨이퍼 레벨 캡핑 프로세스가 사용될 수 있다. 그러나, 동일한 웨이퍼 상에 복수의 상이한 유형의 MEMS 디바이스들이 있을 경우, 웨이퍼 레벨 캡핑 프로세스는 단일 캡핑 프로세스를 사용하여 상이한 압력으로 밀폐된 챔버를 형성할 수가 없다(즉, 이러한 캡핑 프로세스는 동일한 주위 압력으로 챔버를 형성하므로). 또한, 별개의 캡핑 프로세스의 사용은 프로세싱 시간 및 프로세싱 단계의 수를 증가시킴으로써 생산 비용을 증가시킨다.
본 개시는 챔버 안으로 아웃개싱(out-gassing)을 유도함으로써 밀폐된 챔버 내의 압력을 조정하도록 구성된 발열체를 포함하는 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 패키지 및 관련 방법에 관한 것이다. 일부 실시예에서, MEMS 패키지는 반도체 바디 내에 배열된 하나 이상의 반도체 디바이스를 갖는 CMOS 기판을 포함한다. MEMS 구조물이 CMOS 기판에 접속되고 MEMS 디바이스를 포함한다. CMOS 기판 및 MEMS 구조물은 MEMS 디바이스에 접하는 밀폐된 챔버를 형성한다. 발열체가 하나 이상의 반도체 디바이스에 전기적으로 결합되며, 밀폐된 챔버의 내부 표면을 따라 배열된 아웃개싱 층에 의해 밀폐된 챔버로부터 분리된다. 아웃개싱 층이 가스를 방출하게 하도록 발열체를 동작시킴으로써, 밀폐된 챔버의 압력은 그것이 형성된 후에 조정될 수 있으며, 그리하여 동일한 기판 내에서 상이한 압력을 갖는 밀폐된 챔버의 형성을 가능하게 한다.
도 1은 밀폐된 챔버의 압력을 조정하도록 구성된 발열체를 갖는 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 패키지(100)의 블록도의 일부 실시예를 예시한다.
MEMS 패키지(100)는 CMOS 기판(102) 및 MEMS 구조물(104)을 포함한다. CMOS 기판(102)은, 반도체 바디 내에 배열되며 MEMS 구조물(104)의 동작을 지원하도록 구성된 복수의 반도체 디바이스(예컨대, 트랜지스터, 커패시터, 저항, 인덕터, 다이오드 등)를 포함한다. 일부 실시예에서, CMOS 기판(102)은 아날로그-디지털 변환, 증폭, 저장, 필터링 등과 같은 기능을 제공하도록 구성되는 상보형 금속-산화물-반도체(CMOS; complementary metal-oxide semiconductor) 트랜지스터를 포함할 수 있다. MEMS 구조물(104)은 MEMS 디바이스(106)를 포함한다. 다양한 실시예에서, MEMS 디바이스(106)는 예를 들어 모션 센서, 압력 센서, 가속도계, 자이로스코프, 또는 마이크로폰을 포함할 수 있다.
밀폐된 챔버(108)가 CMOS 기판(102)과 MEMS 구조물(104) 사이에 배열된다. 밀폐된 챔버(108)는 MEMS 디바이스(106)에 접하며, 그리하여 MEMS 디바이스(106)는 밀폐된 챔버(108) 내에서 자유롭게 움직일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, MEMS 디바이스(106)는 MEMS 패키지(100)의 모션에 응답하여 밀폐된 챔버(108) 내에서 움직이도록 구성된 이동 요소(ambulatory element)를 갖는 MEMS 모션 센서를 포함할 수 있다.
발열체(110)가 CMOS 기판(102) 내에 배열된다. 발열체(110)는, 밀폐된 챔버(108)의 하나 이상의 내부 표면을 따라 배열된 아웃개싱 층(112)에 의해 밀폐된 챔버(108)로부터 분리된다. 아웃개싱 층(112)은 가열될 때 가스를 방출하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 아웃개싱 층(112)은 유전체 층(예컨대, 산화물)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 아웃개싱 층(12)은 복수의 적층된 막들을 포함할 수 있다.
동작 동안, 발열체(110)는, 아웃개싱 층(112)을 가열하여 아웃개싱 층(112)이 밀폐된 챔버(108) 안으로 가스를 방출하게끔 하는 열을 발생시키도록 구성된다. 밀폐된 챔버(108) 안으로 방출된 가스는 밀폐된 챔버(108) 내의 압력을 증가시킨다. 따라서, 발열체(110)는 아웃개싱 층(112)의 선택적 가열에 의해 밀폐된 챔버(108)의 압력이 그의 형성 후에 (그리고 추가적인 프로세싱 단계 및/또는 MEMS 구조물(104) 및/또는 CMOS 기판(102)에 대한 구조적 손상 없이) 조정될 수 있게 한다.
도 2는 밀폐된 챔버의 압력을 조정하도록 구성된 발열체를 갖는 MEMS 패키지(200)의 단면도의 일부 실시예를 예시한다.
MEMS 패키지(200)는 그 사이에 배열된 접착 층(212)(예컨대, 산화물)에 의해 MEMS 구조물(210)에 본딩된 CMOS 기판(202)을 포함한다. 일부 실시예에서, CMOS 기판(202)과 MEMS 구조물(210) 사이에 배열된 전도성 본딩 구조물(214)은 CMOS 기판(202)과 MEMS 구조물(210) 사이의 전기적 접속을 제공한다. 일부 실시예에서, CMOS 기판(202)은 반도체 바디(204) 및 그 위의 BEOL(back-end-of-the-line) 금속화 스택을 포함한다. 복수의 트랜지스터 디바이스(205)가 반도체 바디(204) 내에 배열된다. BEOL 금속화 스택은 하나 이상의 유전체 재료 층을 포함하는 유전체 구조물(208) 내에 배열된 복수의 금속 상호접속 층(206)(예컨대, 금속 컨택, 금속 상호접속 와이어, 및 금속 상호접속 비아)을 포함한다.
복수의 밀폐된 챔버(108a-108b)가 CMOS 기판(202)과 MEMS 구조물(210) 사이에 배열된다. 복수의 밀폐된 챔버(108a-108b)는 MEMS 구조물(210) 내에 배열된 MEMS 디바이스(106a-106b)(예컨대, 모션 센서, 압력 센서, 가속도계, 자이로스코프, 마이크로폰 등)에 접한다. MEMS 디바이스(106a-106b)는 밀폐된 챔버(108a-108b) 내에서 움직이도록 구성된 이동 요소를 포함한다.
발열체(110a-110b)가 CMOS 기판(202) 내에 배열된다. 발열체(110a-110b)는 각각 복수의 밀폐된 챔버(108a-108b) 중의 하나에 더 가까운 위치에 위치된다. 예를 들어, 제1 발열체(110a)는 제2 밀폐된 챔버(108b)보다 제1 밀폐된 챔버(108a)에 더 가까운 반면에, 제2 발열체(110b)는 제1 밀폐된 챔버(108a)보다 제2 밀폐된 챔버(108b)에 더 가깝다. 일부 실시예에서, 발열체(110a-110b)는 접착 층(212) 내에 배열될 수 있다.
발열체(110a-110b)는 복수의 밀폐된 챔버(108a-108b)와 열 전달되는 상태에 있다(즉, 발열체(110a-110b)는 밀폐된 챔버(108a-108b)의 온도를 증가시키는 열을 발생시킴). 발열체(110a-110b)는 접착 층(212)을 인접한 챔버 안으로 아웃개싱시키기 위해 접착 층(212)을 가열하도록 구성된다. 예를 들어, 제1 발열체(110a)는 접착 층(212)을 제1 밀폐된 챔버(108a) 안으로 아웃개싱시키고, 제2 발열체(110b)는 접착 층(212)을 제2 밀폐된 챔버(108b) 안으로 아웃개싱시킨다.
일부 실시예에서, 발열체(110a-110b)는 CMOS 기판(302) 내에 위치된 전류 소스(216)에 연결된다. 전류 소스(216)는 발열체(110a-110b)에 전류를 제공하도록 구성된다. 전류는 발열체(110a-110b)가 제공된 전류에 기초하여 열을 방산하게 한다. 일부 실시예에서, 전류 소스(214)는 반도체 바디(204) 내에 배열된 하나 이상의 트랜지스터 디바이스(205)를 포함할 수 있다.
도 3는 밀폐된 챔버의 압력을 조정하도록 구성된 발열체를 갖는 MEMS 패키지(300)의 단면도의 일부 실시예를 예시한다.
MEMS 패키지(300)는 CMOS 기판(302) 및 MEMS 구조물(314)을 포함한다. CMOS 기판(302)은 하나 이상의 트랜지스터 디바이스(307)를 갖는 반도체 바디(304) 및 금속 상호접속 층(306a-306b)을 갖는 그 위의 유전체 구조물(308)을 포함한다. 일부 실시예에서, 금속 상호접속 층은 금속 상호접속 와이어(306a) 및 금속 비아(306b)를 포함한다. 금속 상호접속 층(306a 및 306b)은 CMOS 기판(302)의 상부 표면을 따라 위치된 하나 이상의 본드 패드(312)에 접속된다. 일부 실시예에서, 본드 패드(312)는 유전체 재료(310)에 측방으로 접한다. 일부 실시예에서, 유전체 재료(310)는 유전체 구조물(308)의 일부일 수 있다.
MEMS 구조물(314)은 MEMS 기판(316) 및 캡핑 기판(324)을 포함한다. MEMS 기판(316)의 전면(front-side)(316f)은 하나 이상의 본드 패드(312)에 접촉한다. MEMS 기판(316)의 후면(back-side)(316b)은 본딩 층(322)(예컨대, 유전체 층)에 의해 캡핑 기판(324)에 연결된다. MEMS 기판(316)은 이동 요소(318)(예컨대, 질량체(proof mass), 연성 멤브레인 등)를 포함한다. 캡핑 기판(324)은 이동 요소(318)에 접하는 위치에 배열된 함몰부(depression)를 포함한다. 일부 실시예에서, 캡핑 기판(324)은 함몰부의 측벽 및 측방 표면을 따라 연속적으로 연장하는 반도체 재료를 포함한다.
일부 실시예에서, MEMS 기판(316)은 p 타입 도핑 또는 n 타입 도핑을 갖도록 도핑된 실리콘 기판을 포함하는 반면에, 캡핑 기판(324)은 실리콘 기판을 포함한다. 다른 실시예에서, MEMS 기판(316)은 폴리실리콘을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 캡핑 기판(324)은, 함몰부의 측방 표면으로부터 돌출하며 캡핑 기판(324)과 이동 요소(318) 사이의 정지마찰(stiction)을 감소시키도록 구성된 정지마찰 방지(anti-stiction) 범프(도시되지 않음)를 더 포함한다.
밀폐된 챔버(108)가 CMOS 기판(302)과 MEMS 구조물(314) 사이에 배열된다. 일부 실시예에서, 밀폐된 챔버(108)는 캡핑 기판(324) 내의 함몰부로부터 반도체 디바이스(304) 내의 위치로 연장한다. 이동 요소(318)는 밀폐된 챔버(108) 내에 배열된다. 이동 요소(318)는 외부 자극(예컨대, MEMS 패키지(300)의 모션, 사운드 파, 압력 변경 등)에 응답하여 밀폐된 챔버(108) 내에서 이동하도록 그리고 외부 자극과 상관되는 전기적 출력 신호를 발생시키도록 구성된다. 일부 실시예에서, 이동 요소(318)는 이동 요소(318)가 움직일 수 있게 해 주는 하나 이상의 스프링(320)에 접속될 수 있다.
발열체(110)가 유전체 구조물(308) 내에 배열된다. 발열체(110)는 유전체 구조물(308)에 의해 밀페된 챔버(108)로부터 분리된다. 일부 실시예에서, 발열체(110)는 밀폐된 챔버(108)로부터 측방으로 오프셋되는 위치에 배열될 수 있다. 일부 실시예에서, 발열체(110)는 하나 이상의 금속 상호접속 층(306a-306b)에 의해 밀폐된 챔버(108)로부터 측방으로 분리되지 않는다(즉, 금속 상호접속 층(306a-306b)이 밀폐된 챔버(108)와 발열체(110) 사이에 있지 않음).
발열체(110)는, 유전체 구조물(306)이 밀폐된 챔버(108) 안으로 가스를 방출하게 하는 열을 발생시키도록 구성된다. 발열체(110)는 하나 이상의 금속 상호접속 층(306a 및 306b)에 의해 반도체 바디(304) 내의 트랜지스터 디바이스(307)에 접속된다. 트랜지스터 디바이스(307)는 발열체(110)의 동작을 제어하는 신호를 발생시키도록 구성된다. 다양한 실시예에서, 발열체(110)는 반도체 바디(304) 내에 위치된 트랜지스터 디바이스(307)를 포함하는 전류 소스에 접속된 저항 요소를 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 발열체(110)는 전류가 그를 통해 제공될 때 열을 방산하도록 구성된다. 예를 들어, 발열체(110)는 폴리실리콘 저항, 박막 저항 또는 후막(thick film) 저항을 포함할 수 있다.
도 4는 밀폐된 챔버의 압력을 조정하도록 구성된 발열체를 갖는 MEMS 패키지(400)의 단면도의 일부 추가의 실시예를 예시한다.
MEMS 패키지(400)는 CMOS 기판(402) 및 MEMS 구조물(314)을 포함한다. CMOS 기판(402)은 하나 이상의 트랜지스터 디바이스(307)를 갖는 반도체 바디(404) 및 하나 이상의 금속 상호접속 층(306a-306b)을 갖는 그 위의 유전체 구조물(406)을 포함한다. 밀폐된 챔버(108)가 CMOS 기판(402)과 MEMS 구조물(314) 사이에 배열된다. 밀폐된 챔버(108)는 CMOS 기판(402)의 상부 표면으로부터, 반도체 바디(304)로부터 수직으로 분리되어 있는 유전체 구조물(308) 내의 위치로 연장한다.
잔류 막(residue film)(408)이 밀폐된 챔버(108)의 하나 이상의 내부 표면의 일부를 따라 배열된다. 잔류 막(408)은 MEMS 패키지(400)를 형성하는데 사용된 프로세스로부터의 잔여물을 포함한다. 예를 들어, 잔류 막(408)은 에칭 프로세스 또는 평탄화 프로세스(예컨대, 화학 기계적 연마 프로세스)로부터의 잔여물을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 잔류 막(408)은 금속(예컨대, 티타늄 질화물) 또는 유전체(예컨대, 산화물)를 포함할 수 있다.
발열체(110)는 유전체 구조물(406) 및 잔류 막(408)에 의해 밀폐된 챔버(108)로부터 분리되어 있는 위치에 유전체 구조물(406) 내에 배열된다. 일부 실시예에서, 발열체(110)는 밀폐된 챔버(108)와 반도체 바디(304) 사이에 수직으로 있는 위치에 배열될 수 있다. 발열체(110)는, 잔류 막(408) 및/또는 유전체 구조물(308)이 밀폐된 챔버(108) 안으로 가스를 방출시켜 밀폐된 챔버(108)의 압력을 조정하게 하는 열을 발생시키도록 구성된다.
도 5 내지 도 15는 밀폐된 챔버 내의 압력을 조정하도록 구성된 발열체를 갖는 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 패키지를 형성하는 방법을 도시한 단면도(500-1500)의 일부 실시예를 예시한다.
도 5의 단면도(500)에 도시된 바와 같이, 반도체 바디(204)가 제공된다. 다양한 실시예에서, 반도체 바디(204)는 반도체 웨이퍼 또는 웨이퍼 상의 하나 이상의 다이와 같은 임의의 유형의 반도체 바디(예컨대, 실리콘/CMOS 벌크, SiGe, SOI 등) 뿐만 아니라, 임의의 다른 유형의 반도체 및/또는 그 위에 형성되고/되거나 그와 달리 연관된 에피텍셜 층을 포함할 수 있다.
하나 이상의 트랜지스터 디바이스(205)가 반도체 바디(204) 내에 형성된다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 트랜지스터 디바이스(205)는 반도체 바디(204) 위에 게이트 유전체 층을 그리고 게이트 유전체 층 위에 게이트 전극 층을 형성함으로써 형성될 수 있다. 게이트 유전체 층 및 게이트 전극 층은 그 후에 게이트 구조물(502)을 정의하도록 패터닝된다. 반도체 바디(204) 내에 소스/드레인 영역(504)을 형성하도록 게이트 구조물(502)을 정의한 후에 주입 프로세스가 수행될 수 있다. 소스/드레인 영역(504)은 반도체 바디(204)보다 더 높은 도핑 농도를 갖는다.
도 6의 단면도(600)에 도시된 바와 같이, 복수의 금속 상호접속 층(206a-206b)이 반도체 바디(204) 위에 배열된 유전체 구조물(602) 내에 형성된다. 복수의 금속 상호접속 층은 유전체 구조물(602) 내의 하나 이상의 레벨간 유전체 층들에 의해 둘러싸인 금속 상호접속 와이어(206a)와 금속 비아(206b)의 교대의 층들을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 복수의 금속 상호접속 층(206a-206b)은 반도체 바디(204) 위에 유전체 구조물(602)을 형성함으로써 형성될 수 있다. 유전체 구조물(602)은 로우 k(low-k) 유전체 층, 초저 k(ultra low-k) 유전체 층, 극저 k(extreme low-k) 유전체 층, 및/또는 실리콘 이산화물 층을 포함할 수 있다. 유전체 구조물(602)은, 복수의 비아 홀 및 금속 트렌치를 형성하도록 유전체 구조물(602)을 에칭하는 에천트(예컨대, CF4, CHF3, C4F8, HF 등)에 선택적으로 노출된다. 전도성 재료(예컨대, 구리, 알루미늄, 텅스텐 등)가 복수의 비아 홀 및 금속 트렌치 내에 형성된다. 일부 실시예에서, 유전체 구조물(602)의 상부 구조물로부터 금속 재료의 초과부를 제거하도록 화학 기계적 연마(CMP; chemical mechanical polishing) 프로세스가 사용될 수 있다.
도 7의 단면도(700)에 도시된 바와 같이, 발열체들(110a-110b)이 반도체 바디(204) 위에 형성된다. 발열체들(110a-110b)은 복수의 금속 상호접속 층들(206a-206b) 중의 하나 이상에 의해 반도체 바디(204) 내의 트랜지스터 디바이스(205)에 전기적으로 결합된다. 일부 실시예에서, 발열체들(110a-110b)은 전류가 인가될 때 열을 방사하는 고저항 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 발열체들(110a-110b)은 폴리실리콘 저항, 박막 저항 또는 일부 기타 유사한 저항 요소를 포함할 수 있다.
도 8의 단면도(800)에 도시된 바와 같이, 유전체 구조물(208)은 CMOS 기판(806)의 상부 표면 내에 하나 이상의 리세스(804)를 형성하도록 구성된 제1 에천트(802)에 선택적으로 노출된다. 하나 이상의 리세스(804)는 CMOS 기판(806)의 상부 표면으로부터 유전체 구조물(208) 내로 연장한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 리세스(804)는 반도체 바디(204) 안으로 더 연장할 수 있다.
도 9의 단면도(900)에 도시된 바와 같이, 캡핑 기판(902)이, 캡핑 기판(902)의 전면(902f) 내에 함몰부(906)를 형성하도록 구성되는 제2 에천트(904)에 선택적으로 노출된다. 일부 실시예에서, 캡핑 기판(902)은, 캡핑 기판(902) 위에 제1 마스킹 층(908)을 형성하고 그 후에 제2 에천트(904)에 캡핑 기판(902)을 노출시킴으로써 에칭될 수 있다. 다양한 실시예에서, 제1 마스킹 층(908)은 포토리소그래피 프로세스를 사용하여 패터닝된 포토레지스트 또는 질화물(예컨대, SiN)을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 제2 에천트(904)는 불소 종(예컨대, CF4, CHF3, C4F8 등)을 포함한 에칭 화학을 갖는 건식 에천트 또는 습식 에천트(예컨대, 불산(HF) 또는 TMAH(Tetramethylammonium hydroxide))를 포함할 수 있다.
도 10의 단면도(1000)에 도시된 바와 같이, 유전체 층(1002)(예컨대, SiO2)이 캡핑 기판(902)의 전면(902f)을 따라 형성된다. 일부 실시예에서, 유전체 층(1002)은 열 프로세스에 의해 형성된 산화물(예컨대, SiO2)을 포함한다. 다른 실시예에서, 유전체 층(1002)은 성막 프로세스(예컨대, 화학적 기상 증착(CVD; chemical vapor deposition), 물리적 기상 증착(PVD; physical vapor deposition), 원자층 증착(ALD; atomic layer deposition) 등)에 의해 형성된 산화물(예컨대, SiO2)을 포함한다. 일부 실시예에서, 유전체는 함몰부(906) 내의 위치로 연장할 수 있다.
도 11의 단면도(1100)에 도시된 바와 같이, MEMS 기판(1102)이 MEMS 구조물(1106)을 형성하도록 유전체 층(1002)에 본딩된다. 일부 실시예에서, 본딩 프로세스는 용융 본딩 프로세스를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, MEMS 기판(1102)은 MEMS 기판(1102)이 전도성이 되게 하는(에컨대, p 타입 도핑 농도를 갖게 함) 도핑 농도를 갖는 실리콘 기판을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, MEMS 기판(1102)은 폴리실리콘을 포함할 수 있다. MEMS 기판(1102)을 유전체 층(1002)에 본딩하는 것은, 캡핑 기판(902)과 MEMS 기판(1102) 사이에 배열된 하나 이상의 캐비티들(1104a-1104b)을 형성한다.
도 12의 단면도(1200)에 도시된 바와 같이, MEMS 기판(1202)이 제3 에천트(1204)에 선택적으로 노출될 수 있다. 제3 에천트(1204)는 MEMS 기판(1202)을 통해 연장하는 개구를 형성하도록 MEMS 기판(1202)을 에칭하며, 그 결과 제1 이동 요소(1208a) 및 제2 이동 요소(1208b)를 갖는 MEMS 기판(1206)이 된다. 일부 실시예에서, 제1 이동 요소(1208a)는 제1 이동 요소(1208a)가 움직일 수 있게 해주는 하나 이상의 스프링(1210)에 접속될 수 있다. 다양한 실시예에서, 제3 에천트(1204)는 불소 종(예컨대, CF4, CHF3, C4F8 등)을 포함한 에칭 화학을 갖는 건식 에천트 또는 습식 에천트(예컨대, 불산(HF) 또는 TMAH)를 포함할 수 있다.
단면도(1300)에 도시된 바와 같이, MEMS 구조물(1206)은 제1 주위 압력(P1)(예컨대, 본딩이 일어나는 프로세싱 챔버의 압력)에서 CMOS 기판(806)에 본딩된다. MEMS 구조물(1206)을 CMOS 기판(806)에 본딩하는 것은 제1 밀폐된 챔버(1302a) 및 제2 밀폐된 챔버(1302b)를 형성하며, 이들은 제1 주위 압력(P1)에서 유지된다.
일부 실시예에서, MEMS 구조물(1206)은 공융 본딩(eutectic bonding) 프로세스에 의해 CMOS 기판(806)에 본딩된다(전도성 본딩 패드(1304)와 공융 본딩 층(1306) 사이의 계면을 따라). 이러한 실시예에서, 본딩 전에 전도성 본딩 패드(1304)가 유전체 구조물(208) 위에 형성될 수 있고 공융 본딩 층(1306)이 MEMS 기판(1102) 위에 형성될 수 있다. 전도성 본딩 패드(1304)는, 복수의 금속 상호접속 층들(206a-206b)의 하나 이상에 의해 트랜지스터 디바이스(205)에 전기적으로 결합되며 유전체 구조물(208) 위에 형성된 알루미늄 본드 패드를 포함할 수 있다. 공융 본딩 층(1306)은 게르마늄 층 또는 알루미늄 층을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 공융 본딩 층(1306)은 성막 프로세스(예컨대, 화학적 기상 증착(CVD), 물리적 기상 증착(PVD), 원자층 증착(ALD) 등)에 의해 형성될 수 있다.
도 14의 단면도(1400)에 도시된 바와 같이, 제1 발열체(110a) 및/또는 제2 발열체(110b)는 제1 밀폐된 챔버(1302a) 및/또는 제2 밀폐된 챔버(1302b) 내의 압력을 변경하도록 작동된다. 예를 들어, 제1 신호(예컨대, 전류)가 제1 발열체(110a)에 제공될 수 있으며, 제1 발열체(110a)가 제1 밀폐된 챔버(1302a) 내의 압력을 제2 압력 값(P2)(제1 주위 압력(P1)보다 더 큼)으로 증가시키게 한다. 제2 신호(예컨대, 전류)가 제2 발열체(110b)에 제공될 수 있으며, 제2 발열체(110b)가 유전체 구조물(208)로 하여금 아웃개싱하여 제2 밀폐된 챔버(1302b) 내의 압력을 제3 압력 값(P3)(제1 주위 압력(P1)보다 더 큼)으로 증가시키게 하는 열을 발생하게 한다.
도 15의 단면도(1500)에 도시된 바와 같이, CMOS 기판(806) 및 MEMS 구조물(1206)은 제1 다이(1502a) 및 제2 다이(1502b)를 형성하도록 스크라이브 라인(1504)의 하나 이상을 따라 다이싱될 수 있다. 제1 다이(1502a)는 제2 압력(P2)을 갖는 제1 밀폐된 챔버(1302a)에 접하는 제1 MEMS 디바이스를 포함한다. 제2 다이(1502b)는 제3 압력(P3)을 갖는 제2 밀폐된 챔버(1302b)에 접하는 제2 MEMS 디바이스를 포함한다.
도 16은 밀폐된 챔버의 압력을 조정하도록 구성된 발열체를 갖는 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 패키지를 형성하는 방법(1600)의 일부 실시예를 예시한다. 방법(1600)이 도 5 내지 도 15에 관련하여 기재되어 있지만, 방법(1600)이 이러한 구조물에 한정되지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.
또한, 개시된 방법(1600)은 일련의 동작들 또는 이벤트들로서 여기에 예시 및 기재되어 있지만, 이러한 동작들 또는 이벤트들의 예시된 순서는 한정하는 의미로 해석되어서는 안됨을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 일부 동작들은 여기에 예시 및/또는 기재된 바와 상이한 순서로 그리고/또는 이와 다른 동작 또는 이벤트와 동시에 일어날 수 있다. 추가적으로, 예시된 모든 동작들이 여기에서의 기재의 하나 이상의 양상 또는 실시예를 구현하는 데 요구되지 않을 수 있다. 또한, 여기에 도시된 동작들 중의 하나 이상은 하나 이상의 개별 동작 및/또는 단계에서 수행될 수 있다.
1602에서, 복수의 반도체 디바이스들이 반도체 바디 내에 형성된다. 도 5는 동작 1602에 대응하는 단면도(500)의 일부 실시예를 예시한다.
1604에서, 복수의 금속 상호접속 층들이 반도체 바디 위에 배열된 유전체 구조물 내에 형성된다. 도 6는 동작 1604에 대응하는 단면도(600)의 일부 실시예를 예시한다.
1606에서, 발열체가 반도체 바디 위에 형성된다. 도 7은 동작 1606에 대응하는 단면도(700)의 일부 실시예를 예시한다.
1608에서, 하나 이상의 함몰부가 유전체 구조물 및/또는 반도체 바디 내에 형성된다. 하나 이상의 함몰부는 아웃개싱 층에 의해 발열체로부터 분리되어 있다. 도 8는 동작 1608에 대응하는 단면도(800)의 일부 실시예를 예시한다.
1610에서, 캡핑 기판이 캡핑 기판의 전면 내에 하나 이상의 함몰부를 형성하도록 선택적으로 에칭된다. 도 9는 동작 1610에 대응하는 단면도(900)의 일부 실시예를 예시한다.
1612에서, 캡핑 기판의 전면이 이동 요소를 갖는 MEMS 기판에 본딩된다. 도 10 내지 도 12는 동작 1612에 대응하는 단면도(1000-1200)의 일부 실시예를 예시한다.
1614에서, MEMS 기판은 그 사이에 배열된 하나 이상의 밀폐된 챔버를 형성하도록 제1 압력에서 CMOS 기판에 본딩된다. 도 13는 동작 1614에 대응하는 단면도(1300)의 일부 실시예를 예시한다.
1616에서, 발열체는 아웃개싱 층으로 하여금 하나 이상의 밀폐된 챔버 중의 제1 밀폐된 챔버의 압력을 제1 압력보다 더 큰 제2 압력으로 변경하는 가스를 방출하게 하는 열을 발생시키도록 동작된다. 도 14는 동작 1616에 대응하는 단면도(1400)의 일부 실시예를 예시한다.
따라서, 본 개시는 유전체 재료의 아웃개싱을 유도함으로써 밀폐된 챔버 내의 압력을 조정하도록 구성된 발열체를 포함하는 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 패키지 및 관련 방법에 관한 것이다.
일부 실시예에서, 본 개시는 마이크로 전자기계 시스템(MEMS; micro-electromechanical system) 패키지에 관한 것이다. MEMS 패키지는 반도체 바디 내에 배열된 하나 이상의 반도체 디바이스를 갖는 CMOS 기판을 포함한다. MEMS 패키지는, CMOS 기판에 접속되며 마이크로 전자기계(MEMS) 디바이스를 포함하는 MEMS 구조물을 더 포함한다. MEMS 패키지는, CMOS 기판과 MEMS 구조물 사이에 배열되는, MEMS 디바이스에 접하는 밀폐된 챔버를 더 포함한다. 발열체가 하나 이상의 반도체 디바이스에 전기적으로 결합되고, 밀폐된 챔버의 내부 표면을 따라 배열된 아웃개싱 층에 의해 밀폐된 챔버로부터 분리된다.
다른 실시예에서, 본 개시는 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 패키지에 관한 것이다. MEMS 패키지는 반도체 바디 내에 배열된 하나 이상의 반도체 디바이스 및 하나 이상의 금속 상호접속층과 제1 함몰부를 갖는 상부 유전체 구조물을 갖는 CMOS 기판을 포함한다. MEMS 패키지는, CMOS 기판 위에 배열되고 제2 함몰부를 포함하는 캡핑 기판을 더 포함하며, 제2 함몰부는 제1 함몰부와 함께, 캡핑 기판과 CMOS 기판 사이에 배열된 밀폐된 챔버를 형성한다. MEMS 패키지는, 캡핑 기판과 CMOS 기판 사이에 배열되며 밀폐된 챔버 내에 위치된 이동 요소를 포함하는 MEMS 기판을 더 포함한다. MEMS 패키지는, 하나 이상의 반도체 디바이스에 전기적으로 결합되고, 밀폐된 챔버와 열 전달되는 상태인 위치에서 유전체 구조물 내에 배열된 발열체를 더 포함한다.
또 다른 실시예에서, 본 개시는 MEMS 기판을 형성하는 방법에 관한 것이다. 방법은, 반도체 바디 위에 발열체를 갖는 CMOS 기판을 형성하는 단계, 및 복수의 MEMS 디바이스를 갖는 MEMS 구조물을 형성하는 단계를 포함한다. 방법은, MEMS 구조물과 CMOS 기판 사이에 배열된 복수의 밀폐된 챔버를 형성하도록 제1 압력에서 MEMS 구조물을 CMOS 기판에 본딩하는 단계를 더 포함한다. 복수의 밀폐된 챔버 중의 제1 밀폐된 챔버는 아웃개싱 층에 의해 발열체로부터 분리된다. 방법은, 아웃개싱 층으로 하여금 복수의 밀폐된 챔버 중의 제1 밀폐된 챔버의 제1 압력을 제1 압력보다 더 큰 제2 압력으로 변경하는 가스를 방출하게 하는 열을 발생시키도록 발열체를 동작시키는 단계를 더 포함한다.
전술한 바는 당해 기술 분야에서의 숙련자들이 본 개시의 양상을 보다 잘 이해할 수 있도록 여러 실시예들의 특징을 나타낸 것이다. 당해 기술 분야에서의 숙련자라면, 여기에서 소개된 실시예와 동일한 목적을 수행하고/하거나 동일한 이점을 달성하기 위해 다른 프로세스 및 구조를 설계 또는 수정하기 위한 기반으로서 본 개시를 용이하게 사용할 수 있다는 것을 알아야 한다. 당해 기술 분야에서의 숙련자는 또한, 이러한 등가의 구성이 본 개시의 진정한 의미 및 범위로부터 벗어나지 않으며, 본 개시의 진정한 의미 및 범위에서 벗어나지 않고서 다양한 변경, 치환 및 대안을 행할 수 있다는 것을 알아야 한다.

Claims (10)

  1. 마이크로 전자기계 시스템(MEMS; micro-electromechanical system) 패키지에 있어서,
    반도체 바디 내에 배열된 복수의 반도체 디바이스를 갖는 상보형 금속-산화물-반도체(CMOS; complementary metal-oxide semiconductor) 기판;
    상기 CMOS 기판에 접속되며 복수의 마이크로 전자기계(MEMS) 디바이스를 포함하는 MEMS 구조물로서, 상기 복수의 MEMS 디바이스에 접하는(abutting) 복수의 밀폐된 챔버(hermetically sealed chamber)가 상기 CMOS 기판과 상기 MEMS 구조물 사이에 배열되는 것인, 상기 MEMS 구조물;
    상기 복수의 반도체 디바이스 중 하나 이상에 전기적으로 결합되고, 아웃개싱(out-gassing) 층에 의해 상기 복수의 밀폐된 챔버 중의 제1 밀폐된 챔버로부터 분리되고, 상기 아웃개싱 층으로 하여금 상기 복수의 밀폐된 챔버 중의 상기 제1 밀폐된 챔버 내의 제1 압력을 상기 제1 압력보다 더 큰 제2 압력으로 변경하는 제1 가스를 방출하게 하는 열을 발생시키는, 제1 발열체; 및
    상기 복수의 반도체 디바이스 중 하나 이상에 전기적으로 결합되고, 상기 아웃개싱 층에 의해 상기 복수의 밀폐된 챔버 중의 제2 밀폐된 챔버로부터 분리되고, 상기 아웃개싱 층으로 하여금 상기 복수의 밀폐된 챔버 중의 상기 제2 밀폐된 챔버 내의 상기 제1 압력을 상기 제1 압력 및 상기 제2 압력보다 더 큰 제3 압력으로 변경하는 제2 가스를 방출하게 하는 열을 발생시키는, 제2 발열체를 포함하고,
    상기 아웃개싱 층은 에칭 프로세스 또는 평탄화 프로세스로부터의 잔여물을 포함하는 것인, 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 패키지.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, MEMS 구조물은,
    상기 제1 밀폐된 챔버에 접하는 이동 요소(ambulatory element)를 포함하는 MEMS 기판; 및
    상기 제1 밀폐된 챔버의 상부 표면을 형성하는, 상기 MEMS 기판에 접하는 표면 내에 배치된 함몰부(depression)를 포함하는 캡핑 기판을 포함하는 것인 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 패키지.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 MEMS 기판과 상기 캡핑 기판 사이에 배열된 본딩 층을 더 포함하며, 상기 캡핑 기판은, 상기 제1 및 제2 밀폐된 챔버의 측벽들 및 측방 표면을 따라 상기 본딩 층에 접하는 위치로 연속적으로(continually) 연장하는 반도체 재료를 포함하는 것인 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 패키지.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 발열체는, 하나 이상의 금속 상호접속 층을 갖는 유전체 구조물을 포함하는 상기 아웃개싱 층에 접촉하는 것인 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 패키지.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 발열체는, 상기 CMOS 기판과 상기 MEMS 구조물 사이에 배열된 접착 층을 포함하는 상기 아웃개싱 층 내에 배열되는 것인 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 패키지.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 제1 및 제2 발열체는 폴리실리콘 저항, 박막 저항, 또는 후막(thick film) 저항을 포함하는 것인 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 패키지.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 밀폐된 챔버는 상기 제1 밀폐된 챔버로부터 측방으로 오프셋된 위치에서 상기 MEMS 구조물과 상기 CMOS 기판 사이에 배열되는 것인 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 패키지.
  9. 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 패키지에 있어서,
    반도체 바디 내에 배열된 복수의 반도체 디바이스, 및 하나 이상의 금속 상호접속층과 제1 및 제2 함몰부를 갖는 상부 유전체 구조물을 갖는 상보형 금속-산화물-반도체(CMOS) 기판;
    상기 CMOS 기판 위에 배열되고 제3 및 제4 함몰부를 포함하는 캡핑 기판으로서, 상기 제3 함몰부는 상기 제1 함몰부와 함께 상기 캡핑 기판과 상기 CMOS 기판 사이에 배열된 제1 밀폐된 챔버를 형성하고, 상기 제4 함몰부는 상기 제2 함몰부와 함께 상기 캡핑 기판과 상기 CMOS 기판 사이에 배열된 제2 밀폐된 챔버를 형성하는 것인, 상기 캡핑 기판;
    상기 캡핑 기판과 상기 CMOS 기판 사이에 배열되며, 상기 제1 밀폐된 챔버 내에 위치된 이동 요소를 포함하는 MEMS 기판;
    상기 복수의 반도체 디바이스 중 하나 이상에 전기적으로 결합되고, 상기 제1 밀폐된 챔버와 열 전달되는 상태인 위치에서 상기 유전체 구조물 내에 배열되는, 제1 발열체; 및
    상기 복수의 반도체 디바이스 중 하나 이상에 전기적으로 결합되고, 상기 제2 밀폐된 챔버와 열 전달되는 상태인 위치에서 상기 유전체 구조물 내에 배열되는, 제2 발열체를 포함하고,
    상기 제1 또는 제2 밀폐된 챔버 중 적어도 하나의 챔버 내에는 아웃개싱 층이 배열되고, 상기 아웃개싱 층은 상기 제1 또는 제2 밀폐된 챔버 중 적어도 하나의 챔버 내의 압력을 변경시키는 가스를 방출하도록 구성되며, 상기 아웃개싱 층은 에칭 프로세스 또는 평탄화 프로세스로부터의 잔여물을 포함하는 것인, 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 패키지.
  10. 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 패키지를 형성하는 방법에 있어서,
    반도체 바디 위에 제1 발열체 및 제2 발열체를 갖는 상보형 금속-산화물-반도체(CMOS) 기판을 형성하는 단계;
    복수의 MEMS 디바이스를 갖는 MEMS 구조물을 형성하는 단계;
    상기 MEMS 구조물과 상기 CMOS 기판 사이에 배열된 복수의 밀폐된 챔버를 형성하도록 제1 압력에서 상기 MEMS 구조물을 상기 CMOS 기판에 본딩하는 단계로서, 상기 복수의 밀폐된 챔버 중의 제1 밀폐된 챔버는 아웃개싱 층에 의해 상기 제1 발열체로부터 분리되고, 상기 복수의 밀폐된 챔버 중의 제2 밀폐된 챔버는 상기 아웃개싱 층에 의해 상기 제2 발열체로부터 분리되고, 상기 아웃개싱 층은 에칭 프로세스 또는 평탄화 프로세스로부터의 잔여물을 포함하는 것인, 상기 본딩 단계;
    상기 아웃개싱 층으로 하여금 상기 복수의 밀폐된 챔버 중의 상기 제1 밀폐된 챔버 내의 제1 압력을 상기 제1 압력보다 더 큰 제2 압력으로 변경하는 제1 가스를 방출하게 하는 열을 발생시키도록 상기 제1 발열체를 동작시키는 단계; 및
    상기 아웃개싱 층으로 하여금 상기 복수의 밀폐된 챔버 중의 상기 제2 밀폐된 챔버 내의 상기 제1 압력을 상기 제1 압력 및 상기 제2 압력보다 더 큰 제3 압력으로 변경하는 제2 가스를 방출하게 하는 열을 발생시키도록 상기 제2 발열체를 동작시키는 단계를 포함하는 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 패키지의 형성 방법.
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